| 研究課題/領域番号 |
16H04641
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
長野 克則 北海道大学, 工学研究院, 教授 (80208032)
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| 研究分担者 |
小原 伸哉 北見工業大学, 工学部, 教授 (10342437)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | スマートコミュニティ / スマートエネルギーシステム / ヒートポンプ / 地中熱 / 太陽光発電 / 蓄電池 / 最適化 / シミュレーション |
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| 研究実績の概要 |
１．クラウド型双方向HEMSの実証実験設備を構築した。
電気容量3kWの双方向パワーコンディショナー、蓄電容量4kWhのリチウムイオンバッテリー、発電容量3kWの太陽光発電システム、および建物内の模擬電力負荷からなる双方向HEMSの実証実験設備を構築した。制御としては、現在は双方向パワーコンディショナーの充放電運転を予め計算しておいた10分毎の運転パターンに基づいて切り替えることで行っている。具体的には、その時刻以降の24時間の購入電力量の合計値が最小となるように、10分ごとの充放電量の最適パターンを遺伝的アルゴリズム（GA)にて計算して、それを基に1時間毎に制御を行うものである。
２．地中熱利用暖冷房・給湯ヒートポンプの運転制御を伴う改良型遺伝的アルゴリズムによる最適運転パターン計算プログラムの開発
・地中熱利用暖冷房・給湯ヒートポンプをもつクラウド型双方向HEMSの改良型遺伝的アルゴリズムによる最適運転パターンを計算するプログラムの開発した。ヒートポンプ性能による電力需要量の予測は対象地域における地盤情報データから地中熱熱交換器の採放熱特性を評価し，地中熱ヒートポンプシステム設計・性能予測ツールに入力することで，任意地点のヒートポンプの動的な消費電力量の算出が可能なシステムを構築した．
３．太陽光発電と風力発電と連系するSOFC（固体酸化物形燃料電池）-水力発電機によるクリーン電源の可能性
太陽光発電と風力発電と連系するSOFC-水力発電機によるクリーン電源を寒冷地に導入することを想定して、ヒートポンプ暖房の導入量と再生可能エネルギーの導入割合を調査した。定格8MWの提案電力システムでは、ヒートポンプの熱出力4.5MWの急発停までは電力品質に影響しないこと、貯湯槽を伴うヒートポンプの広い普及は再生可能エネルギー割合の高い電力及び熱供給が可能であることを明らかにした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
１．クラウド型双方向HEMSの実証実験設備を構築した。
電気容量3kWの双方向パワーコンディショナー、蓄電容量4kWhのリチウムイオンバッテリー、発電容量3kWの太陽光発電システム、および建物内の模擬電力負荷として消費電力1.5kWのヒーター×4台と300Wのヒーター×5台による双方向HEMSの実証実験設備を構築できた。制御は、双方向パワーコンディショナーをRS485通信にて、パソコンで充放電機能、および充放電量を制御するものである。現在は、双方向パワーコンディショナーを充放電を予め計算しておいた10分毎の充放電運転パターンを切り替えることまで、成功している。ただし、リアルタイム制御は、現在、準備している段階である。
２．地中熱利用暖冷房・給湯ヒートポンプの運転制御を伴う改良型遺伝的アルゴリズムによる最適計算プログラムの開発
地中熱利用暖冷房・給湯ヒートポンプの運転制御を伴う改良型遺伝的アルゴリズムによる最適計算プログラムの開発した。任意地点のヒートポンプの動的な消費電力量の算出が可能なシステムを構築した.遺伝的アルゴリズムを適用して、クラウド型双方向HEMSソフトウェアと地中熱設計Webシステムを組み合わせた、電気・熱の最適制御の基本ソフトウェアを構築した．
３．太陽光発電と風力発電と連系するSOFC（固体酸化物形燃料電池）-水力発電機によるクリーン電源の可能性
太陽光発電と風力発電と連系するSOFC（固体酸化物形燃料電池）-水力発電機によるクリーン電源を寒冷地に導入することを想定して、ヒートポンプ暖房の導入量と再生可能エネルギーの導入割合を調査した。定格8MWの提案電力システムでは、ヒートポンプの熱出力4.5MWの急発停までは電力品質に影響しないことや、貯湯槽を伴うヒートポンプの広い普及は、再生可能エネルギー割合の高い電力及び熱供給が可能であることを明らかにした。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成29年度は、Phase3であり、構築したクラウド型双方向HEMSの模擬負荷による実験施設での通信・制御の実証試験を行う。
・構築したクラウド型双方向HEMSについて，模擬負荷を与える実験施設において，通信・制御の実証試験を行う. この実験施設は．地中熱ヒートポンプシステムが設置可能もしくはすでに設置されている北大構内もしくは他の既存施設を準用し，太陽光発電設備と蓄電池として増設して設置する．
・実証試験では，商用電源からの電力供給を，系統からのグリーン電力と想定し，別や平常時・非常時など，様々なシナリオで設定調整し，電力計により逐次，測定する．この実証施設にて，クラウド型双方向HEMSを運用し，シナリオ毎の，グリーン電力利用量，年間消費エネルギーを測定し，グリーン電力利用量の最大化，年間消費エネルギーの最小化が可能かを確認するとともに，換算CO2排出量に対する評価を行う．
・北海道大学に構築したクラウド型双方向HEMSの試験装置と同様な実験システムを、北見工業大学構内にも設置する。システムの性能は、気象予測、負荷予測及び最適化解析の誤差の影響を受ける。そこで、札幌市（北大）と北見市（北見工大）それぞれの試験結果から、提案システムの詳細な性能を把握する。
・提案HEMSに導入したアルゴリズムを汎用性のあるPLC（Programmable Logic Controller）に移植することを想定して、信頼性の高い情報通信技術を明らかにする。
・提案システムの性能を高く維持するための、気象予測情報の通信条件（情報の内容、通信頻度、通信方法など）を明らかにする。
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